Можно ли с помощью лазерной указки заглянуть в наномир?

06.02.201703.04.2017
В этом конкурсном задании вам предлагается с помощью лазерной указки исследовать нанообъекты, формирующие поверхность компакт диска.

Все слышали про нанотехнологии, но не все знают, где они применяются и как их увидеть своими глазами. Оказывается, работа многих современных устройств, окружающих нас, основана на нанотехнологиях. Один из простейших примеров – компакт диск, на котором содержится разная информация: музыка, видео, фильмы, — закодированная с помощью параллельных круговых дорожек из маленьких ямок (питов, от английского ‘pit’ — углубление) размером в несколько сотен нанометров. Оказывается, с помощью диска и еще одного простого прибора – лазерной указки – можно приоткрыть завесу тайны над устройством наномира. С точки зрения света, как световой волны, компакт диск – это периодическая дифракционная решетка, поэтому луч света, отражающийся от поверхности диска, будет испытывать явление дифракции и интерференции. А если посветить на диск белым светом, то будет видно разложение света в спектр (радугу). Если же посветить лазером, излучающем на определенной длине волны, то мы увидим интерференционную картину, состоящую из чередующихся минимумов и максимумов интенсивности отраженного луча. По расстоянию между максимумами интенсивности отраженного луча и известной длине волны лазера можно определить параметры (период) самой дифракционной решетки диска, то есть узнать характерный размер объектов, формирующих поверхность диска.

Однако в этой задаче есть важное ограничение: дифракционный предел. Лазерное излучение невозможно сфокусировать в пятно размерами, меньшими дифракционного предела. К счастью, расстояние между двумя соседними дорожками питов на компакт диске как раз такое, что на этом масштабе свет из лазерной указки будет дифрагировать.

Образовательная часть конкурса:

  1. Изучите устройство компакт диска, принцип записи и хранения информации на нем.
  2. Изучите основные законы дифракции и интерференции

Материалы, которые могут пригодиться:

  1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Компакт-диск
  2. https://www.youtube.com/watch?v=SpdvckOLUUQ Устройство компакт диска (видеоинструкция)
  3. https://youtu.be/EqGcOQLoBoc Принцип работы дифракционной решетки (видеоинструкция)
  4. http://www.physics.ru/courses/op25part2/content/chapter3/section/paragraph10/theory.html#.WJEskrFh1E5 Принцип работы дифракционной решетки

Задание

  1. В домашних условиях измерить период между дорожками CD диска с помощью лазерной указки
  2. Провести такое же измерение для DVD диска
  3. Сравнить результаты и попробовать объяснить, почему на CD диск можно записать только 700 МБ информации, а на DVD – 4 ГБ, хотя геометрический размер дисков одинаковый.
  4. Провести измерение периода дорожек для Blu-ray диска. Если у Вас не получилось провести измерение, попробуйте догадаться, в чем дело.
  5. Доп. задание: Зная, что объем записываемой информации на Blu-ray диск составляет около 40 Гб, оценить период/расстояние между соседними дорожками Blu-ray диска. Объяснить, почему не удалось провести измерения расстояния между дорожками с помощью лазерной указки.
  6. Подготовить презентацию, включающую в себя результаты ваших измерений и расчетов, схему экспериментов и ответы на вопросы из задания.

Очный тур для победителей: по результатам подготовленных презентаций будет проведен отбор победителей, которые будут приглашены на второй этап конкурса – очный тур, который будет проходить в офисе Школьной лиги Роснано в Санкт-Петербурге. В рамках второго этапа вы самостоятельно (но с нашей помощью) познакомитесь с другим способом изучения наномира — сканирующим зондовым микроскопом NanoTutor, который дает возможность получить изображение того, что невозможно увидеть даже в самый сильный оптический микроскоп. C помощью прибора вы изучите CD, DVD, Blu-ray диски и поймете, почему Blu-ray не поддался исследованию с помощью лазерной указки.

I место — Касулин Егор Александрович МАОУ Лицей №6 г. Тамбов
II место — Ермаков Дмитрий Анатольевич Школа №18 г. Санкт-Петербург
III место — Евдокимов Егор ГФМЛ №30 г. Санкт-Петербург
III место — Литвиненко Иван ГФМЛ №30 г. Санкт-Петербург
III место — Привалов Иван ГФМЛ №30 г. Санкт-Петербург
III место — Шилов Роман ГФМЛ №30 г. Санкт-Петербург